虚拟仿真系统在生理学实验教学中的应用研究*

◆郑春光

0 引言

医学教育的发展离不开课程教学改革。作为典型的实验性学科，生理学的实验课程关系到学生对理论知识点的深刻理解，成功的动物实验操作能提升医学生的操作能力和自主学习的兴趣[1]。但烦琐难懂的理论知识，加上有限的时间和局限的空间，使学生实验的成功率大大降低，而实验的低成功率会严重影响学生的学习兴趣，并且会导致学生缩手缩脚，实验的教学效果远远达不到预期。而虚拟实验平台在激发学生学习兴趣和自主性、节约实验资源等方面具有积极作用[2-3]。

在传统实验教学中，由于医学类学生的不断扩招，大部分院校的师生配比特别高，不合理的师生配比严重影响了教师在示教操作中的效果[4]。这就导致学生在操作过程中出现各种各样的疑问和问题，教师无法兼顾，最终使实验的成功率大大降低。加上教室空间的限制以及有限的实验动物，导致大部分学生全程没有上手操作的机会，很难对实验中的理论知识进行独立思考。

虚拟仿真系统建设是按照生理学各系统实验的要求，全面借助现代化信息技术，推动传统生理学实验教学。虚拟仿真系统的教学平台更加直观，图文、视频、操作一体化，让每个学生都有机会去了解全部的实验操作，在反复的操作中可以更好地解决实验难点并分析实验中的相关知识点[5]，以此来提高生理学实验课的教学效率。本研究旨在分析探讨虚拟仿真系统作为新的实验教学方式对生理学实验教学质量的提升效果。

1 虚拟仿真系统实验课的构建与优化

河南护理职业学院基于VBL100 虚拟仿真系统平台，构建并优化生理学实验教学模块22 项，其中选取神经—肌肉电生理实验的“刺激强度、频率与肌肉收缩之间的关系”、心血管系统实验的“家兔动脉血压的调节”、呼吸系统实验的“家兔呼吸运动的调节”、泌尿系统实验的“影响尿生成的因素”、血液系统实验的“影响血液凝固的因素”，形成实验教学的主要内容。合理利用职教云在线课堂平台制作上传实验课件、相关理论知识链接及主要操作的微视频等教学资源，特别是实验标本制备、核心实验操作及数据有效采集的微视频的创建，尽量满足学生的学习需求，学生可以通过手机、平板电脑等移动网络设备随时随地了解和设计实验项目。同时可以将家兔麻醉、杀蛙、游离坐骨神经等常见的错误操作片段配以文字及音频制作成微视频，为学生实践操作提供参考。

2 对象与方法

2.1 研究对象

选择本校2020 级护理专业247 名学生作为研究对象，每个班级60 人左右，其中选择1、2 班为实验组，3、4 班为对照组。四个班级学生均为高中起点，在年龄、学习能力、综合素质等方面没有明显差异。

2.2 实施方法

2.2.1 实验组 依据构建优化好的虚拟仿真系统实验项目，运用虚实结合的教学方法，依托泰盟的虚拟仿真实验平台，让学生在课余时间结合职教云线上教学资源，预习实验教学内容，并且利用一学时让学生登录虚拟仿真系统反复操作实验内容，认真完成各个实验项目。在此过程中针对学生实验中提出的难点和问题，教师及时答疑回复，并且要求学生对实验内容与理论知识进行联系，及时提出新的实验设计。最后，学生进行真实的动物实验，获得实验结果的同时对实验中的结论进行探讨验证。实验过程由小组相关负责人全程拍摄并上传职教云课堂平台。

2.2.2 对照组 运用传统实验教学方法，让学生根据实验指导提前熟悉预习实验内容，教师利用一学时对实验内容进行讲解并且示教，学生随后进行实验并获得实验结果。实验过程也由小组相关负责人全程拍摄上传职教云课堂平台。在实验考核结束后，让学生利用虚拟仿真系统再次进行线上操作，结合上传的操作视频，找到操作过程中的问题，考虑在虚拟仿真系统中的操作是否有利于实验的整体完成，加深对实验内容和相关理论知识的理解。

2.3 考核方法

制定生理实验课的考核标准，考核的评价指标分两部分，即各组上传的实验视频操作结合相关的实验报告，总分为100 分。由四位代课教师共同给出成绩，并且计算平均分。

2.4 问卷调查及统计学分析

利用问卷星对实施过程和结果进行调查评价，并对实验成绩进行统计学分析。利用统计软件进行统计学处理。两组实验成绩均用平均分数加标准误差表示。两组实验成绩均用t检验，以P＜0.05为具有统计学差异。

3 结果

3.1 问卷调查结果

3.1.1 学生对自主预习实验内容的传统方式（实验指导为主导）和基于职教云平台端教学资源的方式进行客观评价 对学生各自学习方式的评价结果进行统计，统计结果如表1 所示。结果显示：虚拟仿真组的预习方式更加简单方便（82.26%），实验预习内容更丰富直观（90.32%），学生自主性更高（78.23%），对实验内容和理论知识点的理解更充分（73.39%），预习的效果也更满意（70.16%）。

表1 预习效果问卷调查

3.1.2 学生对传统实验和虚拟仿真实验的实施过程进行客观评价 对各组中存在的问题进行相应统计，结果如表2 所示。相比较而言，虚拟仿真实验组实验流程更标准，并且可以反复有效地进行学习；相比传统的课前示教，教学过程更加稳定；学生对关键操作点的掌握更加精细准确，实验操作更加熟练；教学内容全面直观，实验结果清晰准确，成功率更高，有利于理论知识与实验过程更好地契合；并且较好的预期结果更容易增加学生的自信心，增强学生的自主动手能力和学习能动性。

表2 传统实验教学和虚拟仿真实验教学中的问题

3.1.3 学生对虚拟仿真实验教学的建议和评价调查问卷统计结果如图1 所示，显示大部分学生对虚拟仿真实验教学的过程比较感兴趣（86.99%），并且对最终的学习效果都比较认同；丰富的视频设计和相关动画使学生在相关指导下更直观方便地了解要操作的内容（63.20%）；反复学习更能使学生在掌握关键知识的同时，对实验内容进行自主设计并提出问题（75.61%）。在学习过程中，学生也对开设的虚拟仿真实验教学提出相关意见和建议，包括：学生在实验过程中需要教师随堂指导以及更多的预习练习时间；学生参与自主设计实验的机会较少；更多的学生青睐虚拟仿真系统手机客户端的开发和应用（94.31%）。

图1 学生对虚拟仿真实验教学的建议和评价

3.2 实验报告结合实践操作成绩考核

结合虚拟仿真系统的实验组实验报告考核平均成绩为（ 90.87±0.11）分，传统实验教学模式的对照组实验报告考核平均成绩为（88.47±0.13）分，两者相比，虽然结合了虚拟实验仿真系统的实验报告分数稍微有所增加，但没有明显的统计学差异（P＞0.05）。而从操作过程而言，结合虚拟仿真系统的学生实验操作过程更加熟练，教室整体秩序更稳定，实验复杂关键操作的失误率比较低，实验预期更理想。

4 讨论与分析

4.1 虚拟仿真系统的应用能有效弥补传统实验教学的不足，提高生理动物实验的成功率

传统生理学实验教学存在的缺点[6]导致学生逐渐失去对实验课的兴趣，降低了学生自主学习的能动性，也逐渐磨灭了学生对实验课的思维力和创造力。这对生理学课程目标的实现带来很大的挑战，所以以虚拟仿真系统结合传统实验的教学改革也就势在必行。虚拟仿真系统能够克服疫情的干扰，突破传统实验教学的限制[7]，并且在实施过程中很容易被学生接受，学生学习的过程简单方便且有序。

虚拟仿真实验平台可丰富实验课的教学形式和教学内容，将实验过程以逼真、形象、立体的表现形式演示出来[8]。虚拟仿真系统能够提供每个实验的原理、方法、步骤以及完整的实验视频，可满足大量学生对示教过程的需求。学生也可以清楚地观察实验中复杂的精细操作，如蟾蜍枕骨大孔的位置，家兔耳缘经脉的麻醉注射，家兔交感神经、减压神经和迷走神经的辨别与分离，输尿管的位置及插管过程等，从而快速地掌握每个实验项目的要领，把握整个实验过程中的重难点，确保实验结果的准确性。

4.2 优化设计虚拟仿真系统在生理实验中的应用，防止机械、固化的模式出现

虚拟仿真系统的应用需要根据不同的实验项目进行具体分析，在教学中要建立学生本位思想，针对每个实验中存在的问题，由学生进行思考并反馈，从而进行有针对性的优化设计。要避免虚拟仿真系统在使用中变成程序化、机械化的辅助工具，要结合学生的实际应用，将教学过程中不能体现、不易体现的操作点和知识点，通过虚拟仿真系统更全面、更具体地体现。针对比较传统的实验原理和实验目的等文字性的描述，设计成更方便直观的动画形式和微视频形式，结合实际的教学讲解，配合虚拟仿真系统，帮助学生突破自主学习的瓶颈，更好地学习烦冗枯燥的生理知识点。

在虚拟仿真系统的应用中应该更好地设计开阔思维的提示反馈弹窗，例如：在家兔耳缘静脉麻醉的过程中，扎针的具体位置为何要从耳尖开始？戊巴比妥钠的推入速度是如何变化的？这样做的原因是什么？让学生在自主学习、提出问题、解决问题的过程中，通过教学反馈，及时记录自己的问题和思维发散点，并将这些问题联系到临床应用中（如临床上患者麻醉药的推入是不是也要遵循相同的原则），最后对整个实验的体验进行评价和总结归纳。优化整个虚拟仿真系统在实验中的应用流程，建立更加贴合学生使用的教学系统，有效提高生理学实验教学质量。

4.3 虚拟仿真系统对示教的替代作用和反复操作是对传统实验教学的最大支持

在班级人数较多的情况下，传统的示教过程会引起课堂教学混乱，教师很难将示教过程中的重点操作手法让学生细致地观摩。仅凭受到局限的示教课，学生很难掌握实验过程中的技术要领，往往会导致各种问题的出现，实验过程缓慢且混乱，课堂秩序难以掌控的同时会导致实验失败。虚拟仿真实验的开展使高校师生之间的无缝学习成为可能[9]。扩招造成生源大量增加，实验空间和实验动物的分配变得非常紧张，并非每一位学生都能获得机会进行实验操作，这就导致生理学实验课出现“做的少，看的多”的现象。只有通过模式多元的教学组织形式，才能确保教学方式的有效性[10]。作为开放性的实验平台，虚拟仿真系统能满足每一位学生反复练习实验操作，学生可以无视空间和实验动物的限制，完全无压力，全身心地投入实验中。并且反复的操作有利于加深学生对实验的理解，提高实际操作的成功率。

4.4 生理学虚拟仿真实验教学中存在的问题

虚拟仿真系统给学生创造了良好的实验环境，推动了生理学实验教学变革。但在实施过程中，虚拟仿真教室的固定性也增加了学生学习的不便，更多的学生更趋向增加虚拟仿真系统在手机客户端上的应用。虚拟仿真软件的开发使用也可以由实验教学结合理论知识，将许多复杂的理论问题转化为可操作、可演示的内容。通过基于虚拟仿真系统实验教学和传统实验教学的对比分析，显示学生对实验原理的理解、重点实践技能的掌握以及自主学习的态度和兴趣都有明显提升。

5 结束语

虚拟仿真系统在实验中的应用虽然解决了传统实验中的诸多不足，但其作为单一的实验教学方式也有一定的弊端。虚拟仿真系统的操作由于缺乏传统实验的真实感，所以并不能独立作为一种教学方式代替传统实验。传统实验操作与虚拟仿真系统应成为生理学实验教学中不可缺少的组成部分，只有在生理学实验教学过程中将两者无缝衔接起来，相互结合，才能有效地提高生理学实验教学质量，并推动生理学实验教学模式的发展。